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南京大學(xué)Nature重磅：全球最薄的鈣鈦礦材料薄膜

2019-06-10 09:57:33 作者：Matplus 來(lái)源：材料十分享至：

二維（2D）材料由于其卓越的電子性能和應(yīng)用潛力而引起人們的興趣。在傳統(tǒng)的二維材料中，例如石墨烯和過(guò)渡金屬二硫族化合物，這些性質(zhì)很大程度上受到s和p軌道的弱相互作用電子的控制。與傳統(tǒng)二維材料相比，過(guò)渡金屬氧化物鈣鈦礦中d軌道的強(qiáng)相互作用電子產(chǎn)生了豐富的奇異相，包括高溫超導(dǎo)，巨磁電阻，莫特金屬-絕緣體躍遷和多鐵性。與傳統(tǒng)的二維材料一樣，2D過(guò)渡金屬氧化物鈣鈦礦有望展現(xiàn)出新的基本特性，并能夠開(kāi)發(fā)多功能電子器件。然而，這種前景受到剝離三維氧化物晶體或從基底上提升強(qiáng)鍵合的超薄氧化物膜的技術(shù)挑戰(zhàn)的阻礙。

許多技術(shù)被用來(lái)合成獨(dú)立薄膜，包括使用酸對(duì)緩沖層進(jìn)行選擇性蝕刻，水溶解NaCl基底和采用激光和離子注入熔融薄膜基底。在二維材料的世界，很多人都認(rèn)為，二維材料的厚度有一個(gè)臨界值，當(dāng)小于這個(gè)臨界值的時(shí)候，二維材料的晶格就會(huì)坍塌。這些技術(shù)難以推廣到廣泛的鈣鈦礦氧化物。所以如何制備高質(zhì)量、可控性強(qiáng)的二維鈣鈦礦材料成為該領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和材料應(yīng)用的主要問(wèn)題。

為解決這一問(wèn)題，南京大學(xué)王鵬教授，聶越峰教授及潘曉晴教授團(tuán)隊(duì)合作，合成了高結(jié)晶質(zhì)量的獨(dú)立式鈣鈦礦薄膜，幾乎只有一個(gè)晶胞。采用近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的以水溶性Sr3Al2O6為基礎(chǔ)，通過(guò)反應(yīng)性分子束外延法新方法合成了SrTiO3和BiFeO3薄膜。不僅如此，制備出的薄膜還可以轉(zhuǎn)移到不同的基底上，特別是晶體硅晶圓片和多孔碳薄膜。研究成果以題為Freestanding crystalline oxide perovskites down to the monolayer limit發(fā)表在Nature上。

超薄獨(dú)立SrTiO3薄膜的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移

鈣鈦礦氧化膜生長(zhǎng)采用分子束外延技術(shù)替脈沖激光沉積技術(shù)將鈣鈦礦和水溶性緩沖層的超薄外延層“噴涂”到基板上，使緩沖層夾在鈣鈦礦氧化物和基板之間。通過(guò)將緩沖層溶解在水里，可以從基板上釋放出毫米大小的單晶鈣鈦礦氧化物薄膜，然后將它們轉(zhuǎn)移到各種其他基底上，例如含有微米級(jí)孔的碳基底。這樣，所得到的鈣鈦礦氧化物膜的厚度可以控制在原子水平，最終得到接近厚度極限的單原子層薄膜。掃描透射電子顯微鏡是一種可以解析單個(gè)原子并定量確定其位置的成像技術(shù)，基于該技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)自支撐的單層鈣鈦礦氧化物膜進(jìn)行了詳細(xì)表征。所有樣品均呈原子平面，原子清晰可見(jiàn)，證明超薄單晶是獨(dú)立的。

高結(jié)晶超薄獨(dú)立STO薄膜的合成

獨(dú)立的BFO薄膜呈現(xiàn)菱形（R樣）至四方形（T樣）相變，并且當(dāng)接近最終2D極限時(shí)顯示出大的c / a比和巨極化。總而言之，將任何結(jié)晶的獨(dú)立鈣鈦礦薄膜轉(zhuǎn)移到硅或其他半導(dǎo)體晶片上的能力，可能使得能夠在常規(guī)半導(dǎo)體中直接結(jié)合強(qiáng)相關(guān)特性，為新一代多功能電子器件鋪平了道路。

超薄獨(dú)立BFO薄膜的巨極化和晶格畸變

計(jì)算超薄獨(dú)立式BFO薄膜的巨極化和晶格畸變

文章強(qiáng)調(diào)了在不受厚度限制的情況下，合成和轉(zhuǎn)移獨(dú)立式鈣鈦礦晶體薄膜的能力為研究2D相關(guān)相和界面現(xiàn)象創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，這些優(yōu)點(diǎn)意味著還可以產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)相和薄層不可分裂的三維晶體，大大擴(kuò)展了晶體的范圍可用的二維材料，以前在技術(shù)上是不可能實(shí)現(xiàn)的。有了這種能力，我們可以預(yù)測(cè)2D鈣鈦礦氧化物在這一發(fā)現(xiàn)中可能與石墨烯一樣有用非常規(guī)二維相關(guān)材料。對(duì)于鈣鈦礦氧化物薄膜來(lái)說(shuō)，沒(méi)有最薄，只有更薄。

此外，獨(dú)立的極端靈活性鈣鈦礦薄膜提供了前所未有的巨大應(yīng)變梯度，其中的柔性電/柔性磁效應(yīng)還有待探索。這一成果為新一代多功能電子設(shè)備鋪平了道路。

文獻(xiàn)鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1255-7

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